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1 ISA-95 Tutorial, 2008/5/19 プロセス 産 業 における 標 準 モデル ISA-88とISA-95の 関 係 ( 独 ) 日 本 学 術 振 興 会 PSE143 委 員 会 常 設 分 科 会 JBF 東 京 農 工 大 学 共 生 科 学 技 術 研 究 院 北 島 禎 二

2 内 容 JBFの 紹 介 ISA-95の 概 要 ( 簡 単 に) ISA-88の 概 要 ISA-88とISA-95とのマッピング 現 状 での 問 題 とまとめ Teiji Kitajima 2

3 PSE143 委 員 会 常 設 分 科 会 JBF 組 織 ( 独 ) 日 本 学 術 振 興 会 プロセスシステム 工 学 第 143 委 員 会 常 設 分 科 会 JBF WS27 プロセス 制 御 技 術 WS28 アラームマネジメント WG1 S88の 実 装 WG2 IEC62264 オブジェクトモデル WG3 レシピ 設 計 の 効 率 化 WG4 バッチスケジューリング のモデリング Teiji Kitajima 3

4 WBF World Batch Forum バッチプロセスのマネジメント オペレーション オート メーションに 関 する 情 報 交 換 のため 1994 年 に 設 立 さ れた 非 営 利 組 織 The Forum for Automation and Manufacturing Professionals Production Management Techniques Information Integration Automated Equipment Design Control of Batch Process Operations Process & Production Automation Content, Format & Structure Safety & Environmental Concerns Compliance with FDA, EPA, OSHA Application of Industry Standards Evolving Technologies of Interest Teiji Kitajima 4

5 ISA-95により 得 られる 効 果 製 造 システムと 経 営 システムとの 連 携 に 関 与 す るすべての 関 係 者 間 の 共 通 理 解 を 容 易 にする 新 製 品 がフル 生 産 に 達 するまでに 要 する 時 間 を 削 減 できる ベンダが, 経 営 システムと 製 造 システムとの 連 携 に 適 したツール を 提 供 できるようにする 使 用 者 が, 自 分 自 身 のニーズをよりよく 認 識 できるようになる 製 造 プロセスの 自 動 化 にかかるコストを 削 減 できる サプライチェーンを 最 適 化 する ライフサイクル 全 般 にわたるエンジニアリングの 工 数 を 削 減 する Teiji Kitajima 5

6 IEC62264/ISA-95: Enterprise-control System Integration Part 1: Models and Terminology ISA , ISO/IEC , Update JIS 化 審 議 中 : 経 営 システムと 製 造 システムとの 連 携 Part 2: Object Model Attributes ANSI/ISA-S , ISO/IEC , Update Part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management ANSI/ISA , ISO/IEC Part 4: Object Models and Attributes of Manufacturing Operations Management ISA Working Draft 1 Part 5: Business-to-Manufacturing Transactions ANSI/ISA , IEC 審 議 中 B2MML (V04) Teiji Kitajima 6

7 ISA-95のベース:パデュー 参 照 モデル (PRM)スコープ 企 業 経 営 研 究 開 発 及 び エンジニアリング 技 術 情 報 研 究 開 発 ポリシー プロセスサポート エンジニアリング 財 務 ポリシー 外 部 エンティティ 財 務 マーケティング 販 売 予 測 ポリシー 生 産 ポリシー マーケティング 及 び 販 売 製 品 設 計 要 求 BOM 研 究 開 発 要 求 購 入 オーダ エンジニアリング 情 報 オーダ 生 産 コントロール ( 品 質 コスト 配 送 ) 生 産 指 示 製 品 引 当 生 産 ステータス 生 産 情 報 予 算 生 産 工 場 システム 出 荷 オーダ 人 手 の 介 入 が 必 要 なもの 出 荷 ステータス 調 達 調 達 資 源 資 源 管 理 材 料 資 源 作 業 現 場 生 産 コントロール 保 全 要 求 保 全 管 理 製 品 廃 棄 生 産 ステータス 出 荷 廃 棄 物 処 理 RPM 製 造 スコープと 共 通 する 部 分 Teiji Kitajima 7

8 ISA-95 機 能 モデル 注 文 処 理 (1.0) 材 料 及 びエネルギーの 受 受 領 領 報 報 告 告 生 産 オーダ 製 品 出 荷 管 理 (9.0) 製 品 原 価 管 理 (8.0) 引 当 可 能 性 完 成 品 在 庫 出 荷 指 示 出 荷 確 認 包 装 スケジュール 生 産 スケジューリング (2.0) 特 別 採 用 完 成 品 生 産 原 価 目 標 生 産 パフォーマンス 及 び 原 価 生 産 能 力 計 画 に 対 する 生 産 長 期 の 材 料 及 び エネルギー 要 求 スケジュール 製 品 在 庫 管 理 (7.0) プロセスデータ 工 程 内 特 別 採 用 要 求 生 産 コントロール (3.0) 短 期 の 材 料 及 び ー 要 求 エネルギー 材 料 及 びエネルギ 在 庫 材 料 及 びエネルギー コントロール (4.0) 結 果 品 質 保 証 標 準 仕 様 及 び 顧 客 仕 様 プロセスデータ 品 質 保 証 結 果 保 全 技 術 フィードバック 保 全 結 果 報 告 保 全 標 準 及 び 方 法 保 全 要 求 入 庫 オーダ 確 認 品 質 保 証 (6.0) 材 料 及 び エネルギーオーダ 要 求 標 準 仕 様 と 顧 客 要 求 プロセスの 要 件 製 品 及 び 製 品 及 びプロセスのノウハウ 並 びに 製 品 及 びプロセス 情 報 要 求 製 品 プロセス 技 術 フィードバック 生 産 及 びプロセスの 情 報 要 求 調 達 (5.0) 保 全 管 理 (10.0) 保 全 関 連 調 達 要 求 品 質 保 証 結 果 マーケティング と 及 営 び 業 営 業 製 造 実 行 管 理 (Manufacturing Operations Management) 研 究 開 発 及 び エンジニアリング Teiji Kitajima 8

9 ISA-95 機 能 階 層 Level 4 Part 1, 2 Level 3 Part 3, 4 Business 経 営 計 Planning 画 及 び ロジスティクス & Logistics Plant Production Scheduling, Operational Management, etc Manufacturing 製 造 実 行 管 理 Operations Management Dispatching Production, Detailed Production Scheduling, Reliability Assurance, Establishing the basic plant schedule - production, material use, delivery, and shipping. Determining inventory levels. Time Frame Months, weeks, days ERP 3 - Work flow / recipe control to produce the desired end products. Maintaining records and optimizing the production process. Time Frame Days, Shifts, hours, minutes, seconds MES Level 2 S88 Level 1 バッチ Batch Control コント ロール 連 続 Continuous Control コント ロール ディス Discrete クリート Control コント ロール 2 - Monitoring, supervisory control and automated control of the production process 1 - Sensing the production process, manipulating the production process DCS/PLC Level The actual production process Teiji Kitajima 9

10 ISA-95 Part 3 Operations Management (MESA Oil & Gas WG: Applying ISA-95 in the Oil & Gas Industry, 2007) Materials Purchasing Product Development Operations Planning Information Pipeline Asset Management Distribution & Logistics Order Management Customer Service Business Planning & Logistics Operations definition Operations capability Operations request Detailed scheduling Operations response Manufacturing Operations Management Batch Continuous Discrete Control Control Control Production Maintenance Inventory Quality Resource management Definition management Dispatching Execution management Tracking Data collection Analysis parameters and procedures commands responses Process specific data Raw Material Storage & Transport Unit Processing Product Pipeline Intermediate Storage Unit Processing Storage & Transport Distribution Teiji Kitajima 10

11 ISA-88により 得 られる 効 果 バッチ 製 造 プラント 及 びバッチ 制 御 に 関 する 標 準 用 語, 一 貫 した 概 念 とモデルとを 提 供 することで, 関 係 する 当 事 者 間 の 意 志 疎 通 を 改 善 し, 次 のこ とを 可 能 にする 新 製 品 が 完 全 な 生 産 レベルに 到 達 するまでの 時 間 を 短 縮 するこ と ベンダがバッチ 制 御 を 実 用 化 する 適 切 なツールを 提 供 すること 使 用 者 が 要 求 を 十 分 に 規 定 すること 制 御 システム 技 術 者 の 補 助 無 しでも 処 方 を 開 発 できるようにする こと バッチプロセスを 自 動 化 するコストを 削 減 すること ライフサイクル 全 般 にわたるエンジニアリング 負 担 を 削 減 すること Teiji Kitajima 11

12 IEC61512/ISA-88: Batch Control Part 1: Models and Terminology ANSI/ISA-S , IEC JIS C 1807 :2002 バッチ 制 御 ー 第 1 部 :モデル 及 び 用 語 Part 2: Data Structures and Guidelines for Languages ANSI/ISA-S , IEC Part 3: General and Site Models and Representation ANSI/ISA-S , IEC/PAS Part 4: Batch Production Records ANSI/ISA , IEC/PAS Part 5: Automated Equipment Control Models & Terminology ISA Working Draft 1 BatchML(V02) Teiji Kitajima 12

13 ISA-88のベース:NAMUR -based Operation モデル (IFAC PCPI 93) RESEARCH ENGINEERING PRODUCTION Process model General Adapt General in Operation & Scale BO and BF Library Design BO and BF Line Description BO: Basic Operation BF: Basic Function U: Unit TF: Technical Function Physical model Basic Relation BF-U-TF Information Production Schedule Create Control Control Execute Control Actuating Variables Function Production Report Create Production Report Batch Report Create Batch Report Actual State Production Management Level Operation Management Level Process Control Level Field Level Teiji Kitajima 13

14 ISA-88の3つの 階 層 モデル Procedural Control Model Procedural Elements (s) combined with a Physical Model Equipment Process Cell(s) provides process functionality to carry out a Process Model Resulting Process Functionality Process Unit (s) combined with a Unit(s) provides process functionality to carry out a Process Stage Operation(s) combined with a Unit(s) provides process functionality to carry out a Process Operation Phase(s) combined with a Unit(s) provides process functionality to carry out a Process Action Phase(s) combined with an Equipment Module(s) provides process functionality to carry out a Process Action Teiji Kitajima 14

15 ISA-88のバッチ 制 御 Control Equipment Control references Equipment 各 バッチを 生 産 するための 操 作 手 順 Unit is an ordered set of references Equipment Unit is an ordered set of 設 備 機 器 組 込 みの シーケンス Operation is an ordered set of references Equipment Operation is an ordered set of Phase is an ordered set of references Equipment Phase is an ordered set of Teiji Kitajima 15

16 Phase レベルの 連 携 Control Equipment Control Unit is an ordered set of Operation is an ordered set of Phase is an ordered set of references Equipment Phase Teiji Kitajima 16

17 Operation レベルの 連 携 Control Equipment Control Unit is an ordered set of Operation is an ordered set of references Equipment Operation Equipment Phase is an ordered set of Teiji Kitajima 17

18 Unit レベルの 連 携 Control Equipment Control Unit is an ordered set of references Equipment Unit Equipment Operation is an ordered set of Equipment Phase is an ordered set of Teiji Kitajima 18

19 レベルの 連 携 Control Equipment Control references Equipment Equipment Unit is an ordered set of Equipment Operation is an ordered set of Equipment Phase is an ordered set of Teiji Kitajima 19

20 ISA-88のバッチモデル ( 化 学 工 学 会 東 海 支 部 第 38 回 進 歩 講 習 会 ビジネススピードを 支 えるバッチプロセス 工 学, 杉 浦 氏 講 演 資 料, 2004) 原 処 方 General バッチの 実 行 単 位 手 順 企 業 サイト エリア 設 備 Process Cell プロセス Process サイト 処 方 Site Header Formula Equipment Requirement 単 位 手 順 Unit 装 置 Unit プロセス 工 程 Process Stage 基 本 処 方 Master Others 単 位 操 作 Operation 機 器 Equipment Module プロセス 操 作 Process Operation 実 行 処 方 Control フェーズ Phase 計 装 機 器 Control Module プロセス 動 作 Process Action 処 方 手 順 モデル Model 物 理 モデル Physical Model プロセスモデル Process Model Teiji Kitajima 20

21 コントロールアクティビティモデル Management Part 3: General and Site Models and Representation Part 5: Automated Equipment Control Models & Terminology Production Planning and Scheduling Process Management Unit Supervision Process Control Production Information Management Part 4: Production Records Part 1, 2: Models and Terminology Personnel and Environmental Protection Outside the scope Teiji Kitajima 21

22 ISA-88とISA-95とのマッピングに 関 する ISAのテクニカルレポート ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together 両 者 がどのように 相 互 に 関 連 しているのかを 明 らかに する オーバーラップやギャップがどこにあるかを 特 定 する 実 践 者 に 対 して いかに 両 者 を 合 わせて 利 用 するかを 明 らかにする 以 下 のような 問 いに 答 えることによって 混 乱 を 減 らす 両 方 とも 必 要 か? オーバーラップしているのか? どちらを 使 うべきか? どちらかの 方 が 適 していると 言 えるのはどういう 場 合 か? Teiji Kitajima 22

23 ISA-88/95 Technical Report 目 次 1. Scope 2. References 3. Narrative Overview 4. ISA-88 Physical model and ISA-95 Production hierarchy model comparison 5. ISA-88 Control Activity Management and ISA-95 Production Operations Management Model A. Relationship of Activities and Terminology Between the Two Standards B. Recommended Changes to ANSI/ISA and Related Documents C. Recommended Changes to ANSI/ISA and Related Documents Teiji Kitajima 23

24 ISA-88とISA95とのアプローチや 範 囲 の 比 較 (ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together, Draft 17, 2007) ISA-95 ISA-88 Orientation Conceptual Basis relative to Manufacturing Management Functions Conceptual Basis relative to Process Control Definition of workflow and information exchange for Manufacturing Operations Management. Flexible structure of manufacturing management functions that interacts with business requirements. Stops short of directly addressing most traditional process control activities. Physical work execution for Batch and other types of manufacturing. Acknowledges but does not directly address manufacturing management functions. Well-defined equipment-oriented process control structure and function hierarchies extending to the bits and pieces of the manufacturing equipment itself. Primary areas of concern In the way most people describe a manufacturing enterprise, addresses business functionalities and applications at a level below enterprise business systems but above the physical manufacturing equipment. Addresses a lower level, directing, controlling and coordinating the people and equipment that carry out the physical transformation of raw materials into final or intermediate products. Affected Industries Spans all types of manufacturing. Written primarily in terms of batch manufacturing, but is often applied in other types of manufacturing. Teiji Kitajima 24

25 ISA-88 物 理 モデルとISA-95 設 備 階 層 モデル (ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together, Draft 17, 2007) ISA95 Level 4 activities typically deal with these objects ENTERPRISE SITE Source: ISA95 Part 3 Figure 8 Work centers and work units added equipment and control modules, added brackets and annotations on left side Legend contains 0 or more ISA95 Level 3 activities related to ISA88 controlled work centers typically deal with these objects PROCESS CELL PRODUCTION UNIT AREA PRODUCTION LINE contains 1 or more STORAGE ZONE WORK CENTERS Process activities based on ISA88 typically deal with these objects UNIT EQUIPMENT MODULE UNIT EQUIPMENT MODULE WORK CELL EQUIPMENT MODULE STORAGE UNIT EQUIPMENT MODULE WORK UNITS CONTROL MODULE CONTROL MODULE CONTROL MODULE CONTROL MODULE Equipment used in batch production Equipment used in continuous production Equipment used in repetitive or discrete production Equipment used for storage or movement Teiji Kitajima 25

26 ISA-88 コントロールアクティビティモデルと ISA-95 Part 3 機 能 モデルとの 対 応 (ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together, Draft 17, 2007) ISA-95 Product definition ISA-95 Production capability ISA-95 Production schedule ISA-95 Production performance Legend: Dashed rounded rectangles are ISA- 88 activities Solid ovals are ISA- 95 activities ISA-88 Manageme nt (General & Site) ISA-95 Production resource management ISA-95 Detailed production scheduling ISA-95 Production tr acking ISA-88 Production Information Management ISA-88 Production Planning and Scheduling ISA-95 Production dispatching ISA-95 Production Performance analysis ISA-95 Product definition management ISA-88 Management (Master & Control) ISA-88 Process Management ISA-95 Production execution management ISA-95 Production data collection Equipment and process specific production rules Operational commands Operational responses Equipment and process specific data ISA-95 Production level 1-2 functions ISA-88 Unit Supervision ISA-88 Process Control Source: ISA95 Part 3 Figure 9 Activity model of production operations management objects spread out and relabeled, ISA88 Part 1 Figure 19 - Control activity model resized and rearranged to map onto of ISA95 figure Teiji Kitajima 26

27 ISA-95 Production Operations Mngt. の 各 アクティビティとISA-88との 対 比 ( 例 ) (ISA-88/95 Technical Report Using ISA-88 and ISA-95 Together, Draft 17, 2007) ISA-95 Part 3 Production Planning and Scheduling Activities How it applies to ISA-88 ISA-95 Part 3 Section 6.6 Detailed production scheduling ISA-95 Part 3 section Activity definition Detailed production scheduling shall be defined as the collection of activities that take the production schedule and determine the optimal use of local resources to meet the production schedule requirements. This may include ordering the requests for minimal equipment setup or cleaning, merging requests for optimal use of equipment, and splitting requests when required because of batch sizes or limited production rates. Detailed production scheduling takes into account local situations and resource availability. NOTE Enterprise-level planning systems often do not have the detailed information required to schedule specific work centers, work center elements, or personnel. Section Activity model ISA 95 Part 3 Figure 13 illustrates some of the interfaces to detailed production scheduling ISA 95 Part 3 Figure 13 Detailed production scheduling activity model interfaces The ISA-95 detailed production scheduling activity is part of the ISA- 88 production planning and scheduling activity. ISA-88 does not define detail for this activity, it does focus on activities involving the receipt and processing of schedules (dispatch lists in ISA-95 terminology). For this reason there is no conflict between ISA-88 Part 1 and ISA-95. Therefore for detailed guidance, a practitioner should rely on ANSI/ISA Teiji Kitajima 27

28 ISA-88/95 Technical Report に 関 する 所 見 ISA-88とISA-95 Part3 を 理 解 する 上 で 必 読! ISA-88 Process management only applies to one process cell (work center) while the ISA-95 Production Operations Management model can apply to multiple work centers. スケジューリング 周 りは 密 接 に 関 係 することばかり(と 言 うより スケジューリングにしわ 寄 せ)? How it applies to ISA-88 の 欄 を 見 ると batch schedule (Planning and Scheduling)に 関 連 する 項 目 が 非 常 に 多 い 後 半 の Equipment/Material resource information management, Production execution management には 直 接 的 に 書 かれていないが スケジュールが 関 係 しないはずがない! ISA-88 does not define detail for this activity,... For this reason there is no conflict between ISA-88 Part 1 and ISA-95. ISA-?? does not address this activity outside the scope of ISA-?? Teiji Kitajima 28

29 JBFによるS88 関 連 図 書 S88 入 門 簡 単 な 例 題 に 対 するプラント (リンゴジュース 製 造 プラント) 設 計 手 順 の 例 示 JBF Webサイトより 日 本 語 版 英 語 版 ともに ダウンロード 可 化 学 工 学 会 編 :バッチプロセス 工 学, 槇 書 店, Teiji Kitajima 29

30 JBF:ISA-88モデルに 基 づいたバッチプラント の 設 計 から 実 装 までの 検 討 (JBF:S88 入 門, 2004) 設 計 生 産 計 画 制 約 条 件 手 順 制 御 モデル 設 計 手 順 制 御 仕 様 処 方 設 計 基 本 処 方 実 装 プロセス 仕 様 Activity プロセス モデル 設 計 原 処 方 Input/Output 実 装 に 必 要 な 情 報 実 装 にあると 良 い 情 報 入 れ 物 付 き 振 る 舞 い 物 理 モデル 設 計 P&ID 設 備 制 御 設 計 設 備 関 連 図 機 器 設 計 図 共 通 仕 様 オペレーション 異 常 処 理 の 考 え 方 共 有 資 源 経 路 管 理 工 程 間 同 期 具 体 的 例 題 を 対 象 に 実 装 の 観 点 から S88ベースでの 設 計 に 必 要 な 情 報 の 整 理 S88で 定 義 されてい る 情 報 S88で 定 義 されてい ない 情 報 設 計 手 順 方 針 の 検 討 Teiji Kitajima 30

31 プラント 実 装 に 必 要 な 情 報 Process Model ユーザ 要 求 仕 様 より 定 まる Physical Model 経 験 のあるエンジニア ならモデリング 可 Procedural Control Model 以 下 の 情 報 がさらに 必 要 例 外 処 理 情 報 タイムチャート( 典 型 的 なスケジュール) (ビジネス 戦 略 上 の)プラント 運 用 情 報 ポリシー Teiji Kitajima 31

32 ISA-88の 現 状 での 問 題 点 生 産 設 備 のモデルが 不 十 分 実 際 のプラントの 運 用 (, Schedule)は? バッチシーケンス( Control + Equipment Control)をどう 設 計 するか? バッチプロセスの 運 転 をどのような 業 務 アクティビ ティとしてとらえるか? ISA-95との 関 連 安 全 が 考 慮 されていない Teiji Kitajima 32

33 ISA-95の 現 状 での 問 題 点 製 造 業 の 統 合 の 一 面 しかサポートしていない メインの 垂 直 統 合 でも 計 画 系 まわりが 弱 い アクティビティモデル(PRM)が 整 理 されていない 実 装 に 関 しては 範 囲 外 としているが 具 体 的 な 業 態 の 違 いに 対 応 できるか? 仕 様 準 拠 のための 開 発 方 法 プロセスがない 現 在 のところは 対 象 が 製 造 実 行 管 理 のみで 生 産 に 集 中 している ライフサイクルが 考 慮 されていない 安 全 が 考 慮 されていない Teiji Kitajima 33

34 ISA-88やISA-95を 対 象 としている 国 内 の 研 究 会 や 団 体 ものづくりAPS 推 進 機 構 /PSLXフォーラム ( 現 在 は)おもにディスクリート 産 業 を 対 象 とした 計 画 系 の 技 術 仕 様 規 格 日 本 学 術 振 興 会 プロセスシステム 工 学 第 143 委 員 会 常 設 分 科 会 JBF おもにバッチプロセスを 対 象 とした 設 計 運 転 管 理 に ついて S88 Batch Control(IEC61512)との 関 連 から 労 働 安 全 衛 生 総 合 研 究 所 プロジェクト 研 究 化 学 プラントの 安 全 運 転 管 理 モデル 検 討 委 員 会 おもに 連 続 系 を 対 象 にプラントライフサイクルを 意 識 し た 運 転 アクティビティモデルによるプロセス 安 全 管 理 Teiji Kitajima 34

35 現 在 出 版 されている 参 考 図 書 ISA-95 Bianca Scholten: The Road to Integration: A Guide to Applying the ISA-95 Standard in Manufacturing, ISA, Charlie Gifford: The Hitchhiker's Guide to Manufacturing Operations Management: ISA-95 Best Practices Book 1.0, ISA, ISA-88 Dennis Brandl: Design Patterns for Flexible Manufacturing, ISA, William M. Hawkins, Thomas G. Fisher: Batch Control Systems: Design, Application, And Implementation, 2 nd ed., ISA, Jim Parshall, Larry Lamb: Applying S88: Batch Control from a User's Perspective, ISA, Darrin W. Fleming, Velumani A. Pillai: S88 Implementation Guide: Strategic Automation for the Process Industries, Mcgraw-Hill, Teiji Kitajima 35

36 まとめにかえてー 製 造 業 のエンタプライズ 統 合 へ 向 けて 議 論 の 場 を! 製 造 業 の 標 準 は 本 来 ベンダよりもユーザにとっ てメリットのある 規 格 規 格 冒 頭 の 目 的 得 られる 効 果 ( 固 有 の 事 情 を 反 映 した) 適 用 に 関 する 検 討 が 不 可 欠 産 官 学 の 連 携 による 具 体 的 検 討 と フィードバック Teiji Kitajima 36